负泊松比智柔超结构的力学设计及分析

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超结构因其独特的微观结构设计而展现出超常的物理和力学特性,其中负泊松比力学超结构因其特殊的变形模式和优异的力学性能,而受到广泛地关注。智能材料是一种能感知并响应外部刺激的新型功能材料,拥有很多普通材料不具备的特殊功能。将超结构与智能材料结合,可以制备出具有自感知和自驱动功能的智能超结构,实现结构和功能的一体化。本文主要在常规负泊松比超结构的基础上,结合形状记忆聚合物(SMP)和水凝胶这类智能软材料探究负泊松比智柔超结构的变形模式和带隙特征,主要研究内容如下。(1)在二维反手性负泊松比结构的基础上,提出一种三维负泊松比超结构,并分析其变形机理。在小变形条件下,研究超结构的变形行为,通过梁理论和能量法得到结构的泊松比和弹性模量的解析解,并和数值解进行对比。探究几何参数对超结构泊松比和弹性模量的影响,实现对超结构力学性能的可控设计,为智能负泊松比超结构的设计和变形分析奠定基础。(2)利用SMP形状可编程,变刚度的功能,设计并制备能够调控弹性波的负泊松比智柔超结构。首先建立结构的几何参数和其力学性能之间的关系。再通过控制温度和加载方式,实现结构形状的编程控制,然后探究带隙和晶格参数的关系,以及带隙随结构应变变化的演化规律。最后通过改变温度调节结构的有效刚度,从而达到对带隙的温度控制的目的,实现基于SMP的智能调控弹性波的超结构设计及分析。(3)基于内凹负泊松比结构的变形模式和水凝胶吸水溶胀的特性,发展一种具有负膨胀功能的二维和三维复合智柔超结构,并分析其带隙特征。将水凝胶溶胀作为驱动变形的动力,合理布置水凝胶在内凹负泊松比超结构中的位置,并通过仿真模拟预测复合超结构的变形行为。然后结合多材料3D打印技术,制备设计的负膨胀超结构,实验验证数值分析结果的合理性。最后分析超结构在不同膨胀程度下的振动响应能力。
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